JP2013221739A - 補足供給空気を有する燃焼器流れスリーブ - Google Patents

Abstract

【課題】補足供給空気を有する燃焼器流れスリーブを提供すること。
【解決手段】ガスタービン燃焼器は、燃焼室を内包する燃焼器ライナと、燃焼室に燃料を提供するよう配列された少なくとも１つの燃料ノズルと、燃焼器ライナを囲み且つ燃焼室に空気を供給するために燃焼器ライナとの間で半径方向に通路を形成する流れスリーブと、
を含み、流れスリーブが、実質的に環状の流れスリーブ入口を介して通路内に実質的に軸方向に空気を流すことを可能にするよう構成されている。流れスリーブの下流側端部が、複数の出口が周囲の周りに設けられ且つ外部の可変空気供給源から補足的空気を通路内に半径方向に供給し、これにより流れスリーブ入口にて軸方向空気流の境界層状付着を維持するように適合された環状マニホルドを含むように形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービン燃焼器組立体に関する。

少なくとも公知のガスタービンエンジンは、冷却空気を用いてエンジン内の燃焼組立体を冷却する。更に、多くの場合、冷却空気は、燃焼組立体と流れ連通して結合された圧縮機から供給される。例えば、少なくとも一部の公知のガスタービンエンジンにおいて、冷却空気は、燃焼器組立体のトランジションピースの周りに少なくとも部分的に延びるプレナムに圧縮機から吐出される。プレナムに流入する冷却空気の第１の部分は、トランジションピースを囲むインピンジメントスリーブに供給された後、インピンジメントスリーブとトランジションピースとの間に半径方向で冷却チャンネルに流入する。冷却チャンネルに流入する冷却空気は、燃焼器ライナと流れスリーブとの間に半径方向に整列した第２の冷却チャンネルに吐出される。プレナムに流入する冷却空気の残りの部分は、流れスリーブ内に形成された入口を通って送られ、これもまた第２の冷却チャンネルに吐出される。

一般に上述のような産業用タービンにおける燃焼システムでは、複数の独立した燃焼缶が機械装置の中心の周りに等間隔に配置されている。これらは「缶アニュラ型」システムと呼ばれる。これらのタイプのシステムには多くの利点があるが、欠点の１つは、部品公差、入口の閉塞、燃焼器下流側の非一体的な第１段ノズル数、その他などの要因に起因して各燃焼缶に異なる量の入口空気流が生じることである。また、各燃料器缶に流入する燃料の量は、燃料ノズルの有効面積の変動、配管及びマニホルドの障害物、その他に起因して僅かに異なる。結果として、各缶は、異なる燃料／空気比を有し、各缶の性能のばらつきをもたらす可能性がある。ほとんどの場合には、缶全てをできる限り設定点に近付けることが望ましい。

上述のように、ほとんどの燃焼システムは、逆流冷却構成を使用しており、これは、最終的に燃焼用に使用される空気が最初に冷却用に使用されることを意味する。インピンジメントジェット、タービュレータ、及び他のタイプの構造体を用いて、圧力低下を犠牲にして熱伝達を増強する。良好な燃焼システム設計では、圧力低下のほとんどは、冷却用に直接使用され、冷却に影響を及ぼさない流れ分離及び圧力損失の他の発生源によるものはごく僅かである。

現行の空気冷却式燃焼システムでは、軸方向噴射型の流れスリーブが各燃焼器ライナを囲み、（例えば、インピンジメント冷却により）トランジションピースを冷却するのに使用されない空気は、燃焼器の中心線に沿って噴射され、半径方向噴射流れスリーブによって生じた、ライナ／流れスリーブアニュラス内部の空気を送り出すのに使用される存在し得るエネルギーの何れも無駄にしないようにする。

空気は、流れスリーブと燃焼器ライナとの間のアニュラスに清浄に流入するよう意図しているが、流れスリーブの内面に沿った入口にて流れ分離が生じ、圧力損失の増大を引き起こすことが分かっている。この問題に対する解決策の１つは、流れスリーブの内面上に起伏のある表面を利用するものであり、これによりアニュラス内のある長さに流れが付着し続け、その後拡散させるようにすることができる。

この解決策は、一部の態様では満足できるものであるが、十分に分離された状態と十分に付着した状態の間のどこかで入口における流れ挙動を修正するように、燃焼器ライナと流れスリーブとの間のアニュラスへの流入時の空気流を制御することが望ましいことが分かった。

米国特許第７６８５８２３号明細書

例示的で非限定的な実施形態において、本発明は、ガスタービン燃焼器であって、燃焼室を内包する燃焼器ライナと、燃焼室に燃料を提供するよう配列された少なくとも１つの燃料ノズルと、燃焼器ライナを囲み且つ燃焼室に空気を供給するために燃焼器ライナとの間で半径方向に通路を形成する流れスリーブと、を備え、流れスリーブが、実質的に環状の流れスリーブ入口を介して通路内に実質的に軸方向に空気を流すことを可能にするよう構成され、ガスタービン燃焼器が更に、複数の出口が周囲の周りに設けられ且つ外部の可変空気供給源から補足的空気を通路内に半径方向に供給し、これにより流れスリーブ入口にて軸方向空気流の境界層状付着を維持するように適合された環状マニホルドを含むように形成された流れスリーブの下流側端部と、を備える、ガスタービン燃焼器を含む。

別の態様において、本発明は、タービンロータの周りに環状アレイで配列されガスタービンの第１段に燃焼ガスを供給するよう適合された複数の燃焼器を備えたガスタービン用缶アニュラ型燃焼器機構を提供し、燃焼器の各々が、燃焼室を内包する燃焼器ライナと、燃焼室に燃料を提供するよう配列された少なくとも１つの燃焼ノズルと、燃焼器ライナを囲み且つ燃焼室に空気を供給するため流れスリーブとの間に半径方向通路を形成した流れスリーブと、を含み、流れスリーブの下流側端部は、複数の出口が下流側端部の周囲の周りに設けられ且つ外部の可変空気供給源から補足的空気を通路内に供給するよう適合された環状マニホルドを含めるように形成されている。

更に別の態様において、本発明は、ガスタービンロータの周りに缶アニュラアレイ状に並んだ複数の燃焼器の何れか１つ又は全てへの空気流を制御する方法を提供し、各燃焼器が、燃焼室を内包し、該燃焼室に燃料を供給するため少なくとも１つのノズルを支持するライナと、燃焼器ライナを囲む流れスリーブと、を含み、流れスリーブの下流側端部で軸方向に向けられた入口を介して圧縮機吐出空気を燃焼室に供給するためライナと流れスリーブとの間に環状通路が延びており、本方法は、複数の燃焼器の各々の環状通路に加圧状態の補足的空気を選択的に供給するステップと、複数の燃焼器の何れか１つ又は全てについて燃料／空気比を制御するよう補足的空気の流れを調節するステップと、を含む。

ここで、以下に示された図面に関して本発明をより詳細に説明する。

例示的なガスタービンエンジンの概略断面図。 図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができる、例示的な燃焼器組立体の一部の拡大断面図。 流れスリーブと燃焼器ライナとの間のアニュラスに軸方向に流れる空気の理想的流れパターンを示す、公知の燃焼器流れスリーブ入口構成を示した拡大断面図。 アニュラスに流入する空気の実際の流れパターンを示す、図３と同様の図。 アニュラスへの軸方向に流れる空気の効果と、該アニュラスへの補足的空気を供給する本発明の例示的で非限定的な実施形態による、燃焼器流れスリーブの部分断面図。 補足的空気供給システムが「オフ」位置にあるときの流れパターンを示す、図５と同様の図。 本発明の例示的で非限定的な実施形態による、燃焼器の缶アニュラアレイにおける補足的空気供給システムを示す概略図。

最初に、本明細書で使用される用語「上流側」は、燃焼ガス流路におけるガスタービンエンジン又は他の構成要素の前方端部を指し、「下流側」は、燃焼ガス流路におけるガスタービンエンジン又は他の構成要素の後方端部を指す。

図１は、例示的なガスタービンエンジン１００の概略断面図である。エンジン１００は、圧縮機組立体１０２、燃焼器組立体１０４、タービン組立体１０６、及び共通の圧縮機／タービンロータシャフト１０８を含む。エンジン１００は例証に過ぎず、本発明は、全体的に本明細書で説明されるように機能するあらゆるガスタービンエンジン内で実施できる点は理解されたい。

作動時には、空気は、圧縮機組立体１０２を通って流れ、加圧された空気が燃焼器組立体１０４に吐出される。燃焼器組立体１０４は、燃料（例えば、天然ガス及び／又は燃料オイル）を空気流に噴射し、燃料空気混合気を点火して、燃焼を通じて該燃料空気混合気を膨張させ、高温の燃焼ガスストリームを生成する。燃焼器組立体１０４は、圧縮機組立体１０２及びタービン組立体１０６と流れ連通し、高温の膨張したガスストリームをタービン組立体１０６に吐出する。高温の膨張したガスストリームは、タービン組立体１０６に回転エネルギーを与え、該タービン組立体１０６がロータ１０８に回転可能に結合されているので、ロータ１０８がその後、圧縮機組立体１０２に回転力を提供する。

図２は、圧縮機組立体１０２の一部及び燃焼器組立体１０４の拡大断面図である。圧縮機組立体１０２は、ディフューザ１４０と吐出プレナム１４２とを含み、これらは流れ連通して互いに結合されて、下流側の燃焼器組立体１０４に空気を送るのを可能にする。

例示的な実施形態において、燃焼器組立体１０４は、複数の燃料ノズル１４６を少なくとも部分的に支持する実質的に円形の端部カバー又はカバープレート１４４を含む。カバープレート１４４は、保持ハードウェア（図示）により実質的に円筒形の燃焼器流れスリーブ１４８に結合される。実質的に円筒形の燃焼器ライナ１５０は、流れスリーブ１４８内に位置付けられ、流れスリーブを介して支持される。実質的に円筒形の燃焼室１５２は、ライナ１５０により定められる。より具体的には、ライナ１５０は、１４８から半径方向内向きに間隔を置いて配置され、環状燃焼ライナ冷却通路又はアニュラス１５４が、流れスリーブ１４８と燃焼器ライナ１５０との間に定められる。流れスリーブ１４８は、冷却通路又はアニュラス１５４に軸方向に向いた流路を提供する複数の入口１５６を含む。

一部のタービン構成において、インピンジメントスリーブ１５８は、該インピンジメントスリーブ１５８の上流側端部１５９において燃焼器流れスリーブ１４８に結合され、燃焼室１５２において発生した燃焼ガスをタービンノズル１７４で代表されるタービン（タービンノズル１７４で表される）に送るトランジションピース又はダクト１６０を実質的に囲む。従って、トランジションピース冷却通路又はアニュラス１６４は、インピンジメントスリーブ１５８とトランジションピース１６０との間に定められる。インピンジメントスリーブ１５８内に定められる複数の開口１６６は、圧縮機吐出プレナム１４２からの空気流の一部をトランジションピース冷却通路又はアニュラス１６４内に半径方向に配向することを可能にし、ここでこの空気流の一部は、アニュラス１６４に沿って流れて通路又はアニュラス１５４に至るまで続く。

作動時には、圧縮機組立体１０２は、シャフト１０８（図１に示す）を介してタービン組立体１０６により駆動される。圧縮機組立体１０２が回転すると空気が加圧され、図２において複数の矢印で示されるように、加圧された空気がディフューザ１４０内に吐出される。例示的な実施形態において、圧縮機組立体１０２から吐出される空気の大部分は、圧縮機吐出プレナム１４２を通って燃焼器組立体１０４に向けて送られ、圧縮機組立体１０２から吐出される空気のより少ない部分は、エンジン１００の構成要素の冷却で使用するため下流側に送られる。より具体的には、プレナム１４２内で加圧された圧縮空気の第１の流れ脚部１６８は、半径方向に向いたインピンジメントスリーブ開口１６６を介してトランジションピース冷却通路又はアニュラス１６４に送られる。次いで、空気は、トランジションピース冷却通路又はアニュラス１６４内で上流側に送られ、燃焼ライナ冷却通路又はアニュラス１５４に吐出される。加えて、プレナム１４２内の加圧された圧縮空気の第２の流れ脚部１７０は、インピンジメントスリーブ１５８の周りに送られ、入口１５６を介して燃焼ライナ冷却通路１５４内に実質的に軸方向に注入される。次いで、入口１５６に流入する空気とトランジションピース冷却通路１６４からの空気とが通路１５４内で混合され、その後、通路１５４から燃料ノズル１４６内に吐出され、ここで燃料と混合されて燃焼室１５２内で点火される。トランジションピースの周りでインピンジメントスリーブを利用しないタービンモデル又は構成では、圧縮機吐出空気は、入口１５６を介して流れスリーブ１４８と燃焼器ライナ１５０との間のアニュラス１５６内に軸方向に流れる。本明細書で説明される本発明は両方の構成に適用可能である点は理解されるであろう。

図３は、円周方向開口又は入口１５６を介したライナ冷却通路又はアニュラス１５４内への圧縮機吐出冷却空気の導入を示す拡大詳細図である（開口１５６は、流れスリーブ１４８の後方端部を支持するストラット（図示せず）により区分することができる）。空気流ストリームは、「理想的」パターンで図示されており、ここでは境界流が流れスリーブ１４８の内面に付着したままである。

図４は、入口１５６を通って導入された実際の空気流を示し、ここで流れスリーブ１４８の内面に沿った空気の分離及び再循環（すなわち、乱流）により、望ましくない圧力低下の増大が生じている。

図５は、本発明の例示的で非限定的な実施形態を示す。流れスリーブ１７８の拡大後方端部１７６は、入口１５６において加圧状態の追加の又は補足的空気を環状通路１５４内に分配させる環状マニホルド１８０を導入するよう再構成されている。空気分配孔１８２は、流れスリーブ後方端部１７６の外周部の周りにマニホルド１８０と連通して配置され、好ましくは、空気をほぼ半径方向に且つ通路１５４内の冷却空気の流れ方向の流れ成分を有して導入するように様々な角度が付けられる。このようにして通路１５４を通って軸方向に流れる冷却空気よりも高い圧力状態で追加の空気を供給することにより、図４に示す分離及び再循環が実質的に排除される。

マニホルド１８０を通って送給され且つアニュラス１５４内に吹き込まれる補足的空気流は、以下でより詳細に説明するように、「全オン」から「全オフ」までの間のどこかに調整することができる。図６は、全オフ状態の流れを示しており、図４に示した流れパターンと同様に、流れ分離及び再循環が再発する。

ここで図７を参照すると、タービンの周りに燃焼器の缶アニュラアレイの状態の８つの燃焼器（１〜８が付与されている）の各々のライナ後方マニホルド１８０に補足的空気を供給するための例示的な空気分配システムが示されている。従って、例示的な８個の燃焼器構成では、空気分配ボックス１８６は、個々の導管１８８を介してマニホルド１８０の何れか又は全てに補足的空気を選択的に供給することができる。本発明はまた、複数の導管を利用して単一のマニホルド１８０に空気を供給し、このようにして単一の燃焼器内の特定の場所に空気を選択的に送ることができるようにすることも企図される点は理解されるであろう。同様に、空気分配ボックスは、制御システム１９０により制御され、該制御システムはまた、例えば、ダイナミックス監視システム、エミッション監視システム、タービン排気温度監視システム、及び／又はタービン主コントローラなど、ガスタービン１８４の特定のサブシステムから入力を受け取る。

空気は、高圧の外部供給源１９２から空気分配ボックス１８６に供給することができる。

この構成により、それぞれの燃焼器１〜８のマニホルド１６５に供給される追加又は補足的空気を独立して選択的に制御し、各燃焼器の性能を最適化させることができる。

換言すると、このいわゆる「境界層状」吹き込みを用いて、マニホルド１８０及び空気分配孔１８２を介して導入される補足的空気の量を調節し、ひいては各燃焼器における圧力損失を調節するだけでなく、各燃焼器の燃料／空気比に対する調整も可能にすることによって、各燃焼器の燃焼器ライナ／流れスリーブ通路１５４への入口の空力性能を制御する。

マニホルド１８０に関しては、所定位置にて流れスリーブ１７８と一体的に鋳造されるか、或いは、所定位置に溶接された分割流れスリーブ端部（図５に仮想線で示した溶接線１９４で示すような）として形成することができる。分配孔１８２は、流れスリーブ外周部の周りに均一に分配することができ、又は、外周部の周りに対称的に配置された離散的グループで、或いは、燃焼器内の燃料ノズルの配列によって決定付けられる位置で配列することができる。出口孔１８２の離散的グループに供給される空気はまた、マニホルドを離散的セグメントに更に分割することにより単一の燃焼器内で個別に制御することができる。

出口孔１８２を介して導入される補足的空気はまた、空気をストリーム又は通路１５４内に「ポンプ送給」するよう切り替え、次いで、空気をマニホルドに「引き戻す」ように切り替えることができる圧電素子を用いることによって、マニホルド１８０内の実質的に一定量の空気から取り出すことができる。

従って、上述の本発明は、通路１５４への入口１５６にて空気流を制御し、ひいては缶アニュラアレイの複数の燃焼器の各々に対し燃焼器性能及びエミッションを選択的に制御する複数の方法の何れかで変更することができる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１００ ガスタービンエンジン
１０２ 圧縮機組立体
１０４ 燃焼器組立体
１０６ タービン組立体
１０８ 圧縮機／タービンロータシャフト
１４０ ディフューザ
１４２ プレナム
１４４ カバープレート
１４６ 燃料ノズル
１４８ 燃焼器流れスリーブ
１５０ 燃焼器ライナ
１５２ 燃焼室
１５４，１６４ 通路又はアニュラス
１５６ 入口
１５８ インピンジメントスリーブ
１５９ 上流側端部
１６０ トランジションピース又はダクト
１６４ 冷却通路
１６６ 開口
１６８ 第１の流れ脚部
１７０ 第２の流れ脚部
１７４ タービンノズル
１７６ 後方端部
１７８ 流れスリーブ
１８０ 環状マニホルド
１８２ 孔
１８４ タービン
１８６ 空気分配ボックス
１８８ 導管
１９０ 制御システム
１９２ 外部供給源
１９４ 溶接線

Claims (20)

1. ガスタービン燃焼器であって、
   燃焼室を内包する燃焼器ライナと、
   前記燃焼室に燃料を提供するよう配列された少なくとも１つの燃料ノズルと、
   前記燃焼器ライナを囲み、且つ前記燃焼室に空気を供給するために前記燃焼器ライナとの間で半径方向に通路を形成する流れスリーブと、
   を備え、前記流れスリーブが、実質的に環状の流れスリーブ入口を介して前記通路内に実質的に軸方向に空気を流すことを可能にするよう構成され、
   前記ガスタービン燃焼器が更に、
   複数の出口が周囲の周りに設けられ、且つ外部の可変空気供給源から補足的空気を前記通路内に半径方向に供給し、これにより前記流れスリーブ入口にて軸方向空気流の境界層状付着を維持するように適合された環状マニホルドを含むように形成された前記流れスリーブの下流側端部と、
   を備える、ガスタービン燃焼器。
2. 前記マニホルドが、前記流れスリーブの下流側端部と一体的に形成されている、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
3. 前記複数の出口の少なくとも一部が、前記通路内の流れ方向で可変的に傾斜されている、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
4. 前記流れスリーブの下流側端部が、前記流れスリーブに接合された前記マニホルドを収容する離散的拡大部分を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
5. 前記可変空気供給源が、空気分配ボックスに接続された高圧供給源を含む、請求項１記載のガスタービン燃焼器。
6. 前記空気分配ボックスが、ダイナミックス監視システム、エミッション監視システム、タービン排気温度監視システム、及びタービン主コントローラの１つ又はそれ以上からの入力を用いてコントローラによって制御される、請求項５記載のガスタービン燃焼器。
7. ガスタービン用缶アニュラ型燃焼器機構であって、
   タービンロータの周りに環状アレイで配列され、前記ガスタービンの第１段に燃焼ガスを供給するよう適合された複数の燃焼器を備え、
   前記燃焼器の各々が、
   燃焼室を内包する燃焼器ライナと、
   前記燃焼室に燃料を提供するよう配列された少なくとも１つの燃焼ノズルと、
   前記燃焼器ライナを囲み、前記燃焼室に空気を供給するため前記流れスリーブとの間に半径方向通路を形成した流れスリーブと、
   を含み、前記流れスリーブの下流側端部は、複数の出口が前記下流側端部の周囲の周りに設けられ、且つ外部の可変空気供給源から補足的空気を前記通路内に供給するよう適合された環状マニホルドを含めるように形成されている、缶アニュラ型燃焼器機構。
8. 前記マニホルドが、前記流れスリーブの下流側端部と一体的に形成されている、請求項７記載の缶アニュラ型燃焼器機構。
9. 前記複数の出口の少なくとも一部が、前記通路内の流れ方向で可変的に傾斜されている、請求項７記載の缶アニュラ型燃焼器機構。
10. 前記流れスリーブの下流側端部が、前記流れスリーブに接合された前記マニホルドを収容する離散的拡大部分を含む、請求項７記載の缶アニュラ型燃焼器機構。
11. 前記各マニホルドが、高圧供給源からの空気が供給される空気分配ボックスに接続される、請求項７記載の缶アニュラ型燃焼器機構。
12. 前記空気分配ボックスが、前記各燃焼器のそれぞれの通路に吹き込まれる空気の量を別個に制御するようプログラムされた制御システムに接続される、請求項１１記載の缶アニュラ型燃焼器機構。
13. 前記制御システムが、ダイナミックス監視システム、エミッション監視システム、タービン排気温度監視システム、及びタービン主コントローラの１つ又はそれ以上からの入力を受け取る、請求項１２記載の缶アニュラ型燃焼器機構。
14. ガスタービンロータの周りに缶アニュラアレイ状に並んだ複数の燃焼器の何れか１つ又は全てへの空気流を制御する方法であって、
    前記各燃焼器が、
    燃焼室を内包し、該燃焼室に燃料を供給するため少なくとも１つのノズルを支持するライナと、
    前記燃焼器ライナを囲む流れスリーブと、
    を含み、前記流れスリーブの下流側端部で軸方向に向けられた入口を介して圧縮機吐出空気を前記燃焼室に供給するため前記ライナと前記流れスリーブとの間に環状通路が延びており、
    前記方法が、
    （ａ）前記複数の燃焼器の各々の環状通路に加圧状態の補足的空気を選択的に供給するステップと、
    （ｂ）前記複数の燃焼器の何れか１つ又は全てについて燃料／空気比を制御するよう前記補足的空気の流れを調節するステップと、
    を含む、方法。
15. 前記複数の燃焼器の各々に対して共通の空気分配ボックスから前記補足的空気を選択的に供給するステップを含む、請求項１４記載の方法。
16. 前記空気分配ボックスが、ダイナミックス監視システム、エミッション監視システム、タービン排気温度監視システム、及びタービン主コントローラの１つ又はそれ以上からの入力を受け取るコントローラによって制御される、請求項１５記載の方法。
17. 前記ステップ（ａ）において、前記流れスリーブの後方端部における複数の出口を介して前記補足的空気を供給するステップを含む、請求項１４記載の方法。
18. 前記複数の出口の少なくとも一部を前記通路内の流れ方向に可変的に角度を付けるステップを含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記流れスリーブの後方端部内に前記複数の出口と連通した環状マニホルドを設けるステップを含む、請求項１７記載の方法。
20. 前記ステップ（ｂ）において、前記補足的空気の流れが、全オフと全オン位置の間のどこかに調節される、請求項１４記載の方法。